一种基于PEDOT-ZnO纳米异质结的温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于温度测量领域，特别地涉及一种基于PEDOT-ZnO纳米异质结的温度传感器。
背景技术
温度传感器是将温度变化转化为电信号变化的传感器，它利用温敏元件随温度变化反映出的电信号的变化检测温度。现有的温度传感器应用广泛、种类繁多。大致可以分为如下几类：热电偶温度传感器，热敏电阻温度传感器，RTD温度传感器，PN结温度传感器，集成温度传感器，红外线温度传感器等。热电偶温度传感器成本低、测温范围宽但灵敏度和稳定性较差；热敏电阻温度传感器灵敏度高、响应快但测温范围较窄；RTD温度传感器精度和稳定性极高但价格昂贵；PN 结温度传感器是一种半导体敏感器件，它虽然精度较低、响应速度较慢，但是能与半导体与集成电路工艺很好地兼容。随着半导体与集成电路技术的发展和进步，高精度较、响应速度较快并且能够与现代高新产业良好兼容的PN结温度传感器亟待发明。
发明内容
本发明提供一种基于PEDOT-ZnO纳米异质结的温度传感器，所述温度传感器以PEDOT纳米管和ZnO纳米棒形成的纳米异质结作为温度敏感元件。
本发明发现，以PEDOT纳米管和ZnO纳米棒形成的纳米异质结作为温度敏感元件，制备得到的温度传感器具有较高的准确度、较好的灵敏度和较宽的测温范围，可解决现有的PN结传感器存在的精度低、响应速度慢等问题，理想地应用于半导体与集成电路工艺。
优选的，所述温度敏感元件为PEDOT纳米管和ZnO纳米棒组成的点接触式P-N纳米异质结。
优选的，所述温度传感器包括硅基衬底，所述硅基衬底上设置有叉指电极，所述纳米异质结连接于相邻的叉指电极之间。
优选的，所述ZnO纳米棒的一端固定于相邻的其中一个叉指电极上，另一端与所述PEDOT纳米管的一端形成点接触，所述PEDOT 纳米管的另一端固定于相邻的另一个叉指电极上；
同一个所述叉指电极上生长多个ZnO纳米棒，多个所述ZnO纳米棒与同一个所述PEDOT纳米管形成点接触。
优选的，所述PEDOT纳米管的长度为10～12μm，其外径约为 400～450nm，内径约为250～300nm。
优选的，所述ZnO纳米棒的长度为3～3.5μm，直径约为 100～150nm。
优选的，所述硅基衬底包括硅片和涂敷于所述硅片表面的氧化硅绝缘层，所述叉指电极设置于所述氧化硅绝缘层上。
优选的，本发明所述温度传感器的制备方法包括如下步骤：
1)在P型硅片上沉积SiO2薄膜层；
2)采用溅射法在所述SiO2薄膜层的表面制备叉指电极和引脚层；
3)通过光刻溅射和晶种生长在所述叉指电极上生长制备多个垂直排列的ZnO纳米棒；
4)通过交流介电泳技术将PEDOT纳米管设于相邻的电极之间，使之与多个ZnO纳米棒相连，形成稳定的空气桥结构。
作为优选的操作方式，所述ZnO纳米棒的制备包括如下步骤：
1)通过光刻溅射(压力为0.8～1.2pa，功率为110～130W，气氛为14～16sccm O2和28～32sccm N2)制备薄的ZnO种子层；在剥离工艺之后，将具有图案化ZnO种子层的基板在O2气氛中于280～320℃退火15～25分钟；
2)将基板按晶种面朝下的方向放入装有前驱体溶液的以聚四氟乙烯做衬里的不锈钢高压釜中；在90～100℃下1～3小时合成垂直排列的ZnO纳米棒。
作为优选的操作方式，所述PEDOT纳米管的设置包括如下步骤：
将PEDOT分散液滴到叉指电极区域上；然后，通过信号发生器 (MHS-5200P，MingHe)将振幅为5～7V，频率为1kHz的交流电施加到电极末端约0.5～1.5分钟；在电场力的作用下，悬浮在分散液中的PEDOT纳米管与ZnO纳米棒相连，形成稳定的空气桥结构；
作为优选的操作方式，本发明的温度传感器的制备包括如下步骤：
1)在P型(100)硅片上沉积300nm的SiO2薄膜层；
2)采用溅射法制备10nm的Ti和50nm的Au的金属层作为如权利要求1所述的温度传感器的电极和引脚层；
3)在金属层的上表面涂敷光刻胶进行第一次光刻，经过刻蚀和去除光刻胶之后得到叉指电极和引脚；
4)然后在第二次光刻中溅射(压力为1pa，功率为120W，气氛为15sccm O2和30sccmN2)制备薄的ZnO种子层；在剥离工艺之后，将具有图案化ZnO种子层的基板在O2气氛中于300℃退火20分钟；
5)将基板按晶种面朝下的方向放入装有前驱体溶液的以聚四氟乙烯做衬里的不锈钢高压釜中；在95℃下2小时合成垂直排列的 ZnO纳米棒；
6)将具有图案化ZnO纳米棒的基板用去离子水充分洗涤，在 N2气氛中干燥，最后在O2气氛中于450℃退火30分钟；
7)通过交流介电泳技术将PEDOT纳米管水平组装在相邻电极之间：首先，将2μL的PEDOT分散液滴到叉指电极区域上；然后，通过信号发生器(MHS-5200P，MingHe)将振幅为6V，频率为1kHz 的交流电施加到电极末端约1分钟；在电场力的作用下，悬浮在分散液中的PEDOT纳米管与ZnO纳米棒相连，形成稳定的空气桥结构；
8)在90℃下退火15分钟后即可得到所述的基于PEDOT-ZnO 纳米异质结的温度传感器。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明所述的温度传感器与现有的PN结温度传感器相比，测温范围宽，可实现-60～90℃范围的测温，具有较高的灵敏度和准确度，而且本发明的温度传感器与其他传感器具有更低的能耗更高的稳定性。
2)本发明所述的温度传感器结构简单，制备方法简单，在一定程度上克服了成本与测温范围以及灵敏度的矛盾。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的制备流程示意图；
图3为基于PEDOT-ZnO纳米异质结的温度传感器的测试结果图；
图4为基于PEDOT-ZnO纳米异质结的温度传感器的测试结果图；
图1中：1硅基衬底，2二氧化硅绝缘层，3金属叉指电极，4ZnO 纳米棒，5PEDOT纳米管。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例涉及一种温度传感器，所述传感器的结构为：
所述温度敏感元件为PEDOT纳米管和ZnO纳米棒组成的点接触式p-n纳米异质结
所述温度传感器包括硅基衬底1，所述硅基衬底上设置有二氧化硅绝缘层2，金属叉指电极3，所述ZnO纳米棒4的一端固定于相邻的其中一个叉指电极上，另一端与所述PEDOT纳米管5的一端形成点接触，所述PEDOT纳米管的另一端固定于相邻的另一个叉指电极上(其结构示意图如图1所示)。
实施例2
本实施例涉及实施例1所述温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)硅基衬底的制备：选取P型掺杂、晶向为(100)的硅片为基底，然后在硅片上沉积厚度为300nm的二氧化硅薄膜层。
2)金属叉指电极的制备：在步骤1)得到的硅基衬底上表面依次采用溅射沉积技术沉积10nm的Ti和50nm的Au，在沉积的金属层的上表面涂敷光刻胶进行第一次光刻，形成叉指状金属电极及其引脚。
3)ZnO纳米棒的生长：进行第二次光刻，使用Lift-off工艺只在一侧的叉指上形成ZnO种晶层。该ZnO种晶层通过溅射沉积工艺得到，其中溅射压强为1Pa，功率为120W，气体氛围为O2 15sccm、 N2 30sccm。然后将一侧叉指上带有ZnO种子层的基板置于300℃的 O2氛围中退火20min。将以上得到的基板按ZnO种子层朝下的方向放入装有Zn(NO3)2+HMTA+PEI溶液的反应釜内胆中，通过95℃水热法加热2h以生长出氧化锌纳米棒。水热生长结束后将器件在去离子水中清洗5min，然后在N2中充分干燥，接着放入退火炉在450℃的O2氛围中退火30min。
4)PEDOT纳米管的组装：使用交流介电泳技术。首先，将配置好的PEDOT溶液在超声波细胞粉碎机中超声分散15min，然后滴加在叉指电极上。重复滴2次，每次1μL。然后，通过信号发生器(MHS-5200P，MingHe)将振幅为6V，频率为1kHz的交流电施加到电极两端约1分钟。
5)退火：最后在90℃环境下退火15min即可(其制备流程图如图2所示)。
实验例
使用带温控装置的B1500A半导体器件分析仪对实施例1所述的温度传感器进行性能测试。由于测试的温度范围较宽，我们选择在真空的环境下进行测试以防止温度过低时传感器上结霜。
测试的结果如图3和图4所示，对被测试的温度传感器从228K 到348K(即-45～75℃)温度范围下进行测试，以20K为一个步长，在每个温度点下在传感器两端施加从0V到1V随时间线性增大的电压(此处测试温度范围为-45℃～75℃，上文中说本发明所述传感器可实现的测温范围为-60℃～90℃，两者并不冲突，因为测试的温度步长为20℃，并且在-45℃～75℃的已测范围内响应良好，因此可以确定在-60℃～90℃范围内也会有好的效果)。
图3的曲线表明，该温度传感器在很大的温度范围内都有比较灵敏的响应，随着温度的变化电流变化显著，在整个测温范围内可以实现跨数量级的变化，体现出本发明所述温度传感器可以实现较高灵敏度。由图4可以直接看到，随着温度的升高，该传感器的导通电阻逐渐减小并且整体上线性度良好，说明所述温度传感器可以实现较高的准确度。另外，本发明所述温度传感器的功耗非常低，约为2～3微瓦，可实现很长时间的使用。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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